خلاصه خبر:
محققان با ترکیب ابزارهای ریاضی-فیزیک سیاهچاله و فیزیک شیمیایی، بررسی کردند که چگونه اطلاعات کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی درهم‌ساخته یا scramble میشوند. آنها از همبستگی های خارج از زمان (OTOCs) برای اندازه گیری سرعت انتشار اطلاعات و درهم سازی در سیستم های کوانتومی استفاده کردند. این مطالعه نشان داد که واکنش‌های شیمیایی در دماهای پایین، جایی که تونل‌زنی غالب است، می‌تواند اطلاعات را تقریباً تا حد کوانتومی درهم‌بسازند. این یافته‌ها شباهت‌های قابل‌توجه بین مولکول‌ها و سیاه‌چاله‌ها را در توانایی آنها در درهمسازی کارآمد اطلاعات کوانتومی نشان داده و درک ما از فیزیک شیمیایی و مکانیک کوانتومی را ارتقا می‌دهد.
توضیحات تکمیلی:
محققان دانشگاه رایس و دانشگاه ایلینویز به پیشرفتی در درک درهم‌ساختن (scrambling) سریع اطلاعات کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی دست یافته‌اند و نشان می‌دهند که مولکول‌ها می‌توانند به اندازه سیاه‌چاله‌ها در این فرآیند موثر باشند. این مطالعه که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد، ابزارهای ریاضی فیزیک سیاهچاله و فیزیک شیمیایی را برای کشف سرعت و اثربخشی درهمسازی اطلاعات در واکنش‌های شیمیایی ترکیب کرد.
به طور سنتی تصور می‌شد که واکنش‌های شیمیایی شامل تشکیل پیوند ساده و شکستن آن می‌شود، اما از دیدگاه مکانیک کوانتومی، حتی مولکول‌های کوچک نیز سیستم‌های پیچیده‌ای با حالت‌های کوانتومی متعددی هستند. این تیم از همبستگی های خارج از زمان (OTOCs)، یک ابزار ریاضی که از فیزیک سیاهچاله به عاریت گرفته شده است، برای اندازه گیری چگونگی انتشار اطلاعات در سراسر مولکول ها و سرعت درهم ساختن آن ها استفاده کرد.
یافته ها نشان داد که OTOC ها می توانند سرعت درهم ساختن اطلاعات در سیستم های کوانتومی را بسنجند که نشان می دهد به چند حالت تصادفی دسترسی پیدا میتوان کرد. این بینش برای درک رابطه بین درهمسازی اطلاعات و نرخ واکنش بسیار مهم است. در حالی که "درهمسازی" برای دستیابی به اهداف واکنش ضروری است، می تواند مانع از کنترل واکنش ها نیز شود.
این مطالعه نشان داد که واکنش‌های شیمیایی در دماهای پایین، جایی که تونل‌زنی غالب است، می‌توانند اطلاعات را تقریباً تا حد مکانیکی کوانتومی، شبیه به سیاه‌چاله‌ها، درهم بسازند. علاوه بر این، محققان تأثیر محیط‌های بزرگ‌تر بر درهمسازی را بررسی کردند و دریافتند که میتوان آن را سرکوب کرد و منجر به رفتار منظم‌تر شد.
پیامدهای این تحقیق به حوزه‌های مختلفی از جمله طراحی کیوبیت‌ها برای رایانه‌های کوانتومی گسترش می‌یابد، جایی که به حداقل رساندن درهمسازی اطلاعات بین سیستم‌های تونل‌زنی در حال تعامل برای بهبود قابلیت اطمینان بسیار مهم است. این یافته ها همچنین می تواند در واکنش های نور محور و طراحی مواد پیشرفته کاربرد داشته باشد.
توانایی درک و کنترل بهتر اطلاعات کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی، راه‌های جدیدی را برای تنظیم نتایج واکنش و بهبود قابلیت اطمینان فناوری‌های کوانتومی باز می‌کند. این مطالعه، شباهت‌های شگفت‌انگیز بین سیاه‌چاله‌ها و مولکول‌ها را در توانایی آنها در درهم‌ساختن کارآمد اطلاعات کوانتومی، روشن کردن جنبه‌های اساسی فیزیک شیمیایی و مکانیک کوانتومی برجسته می‌کند.
منبع
Chenghao Zhang et al, Quantum information scrambling and chemical reactions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2321668121
